Det högflygande SOFIA-teleskopet belyser var några av de grundläggande byggstenarna för livet kan komma från. En ny studie publicerad den The Astrophysical Journal: Letters under ledning av astronomer från University of Hawaii, inklusive kollaboratörer från University of California Davis, Johns-Hopkins University, North Carolina Museum of Natural Sciences, Appalachian State University och flera internationella partners (inklusive finansiering från NASA), tittade på en kvarvarande mysterium i planetbildning: den kemiska vägen för elementet svavel, och dess konsekvenser och roll i bildandet av planeter och liv.
Nummer 16 på det periodiska systemet är svavel det tionde vanligaste elementet i universum. Inte bara är svavel ett spårämne som är involverat iformationen av dammkorn runt unga stjärnor som leder till planeter, det misstänks också vara en nödvändig byggsten för livet. Att titta på spridningen av svavel i universum kan också ge oss inblick i historien om hur det primitiva livet började här på jorden.
För studien tittade forskare på vad som kallas unga stjärnobjekt (YSO: er). Dessa är unga stjärnor på ett stadium innan de börjar smälta väte och är inbäddade i ett molekylärt moln rikt på damm och gas. Det specifika objektet som riktades in i studien var MonR2 IRS3, en kollapsande protostar i stjärnbildande Monoceros R2-området. Beläget i konstellationen Monoceros the Unicorn, (ibland även känd som Narwhal), MonR2 IRS3 är en av många YSO: er i regionen, ett förvar med protoplanetärt damm och gas som omger en kollapsande kärna.
Efter YSO-scenen har gasen antingen blivit en del av stjärnan, dess planetsystem eller blåst bort. Stjärnan börjar sedan smälta väte till helium, liksom tyngre element som ses i mer massiva stjärnor. Unga stjärnobjekt som MonR2 IRS3 är alltså perfekta laboratorier för att undersöka den mystiska kemi som är involverad i bildandet av planeter och molekyler som behövs för livet.
För studien använde teamet SOFIA - NASAs stratosfäriska observatorium för infraröd astronomi - ett ombyggt Boeing 747SP-flygplan med ett 2,5-meter infrarött teleskop monterat bakom en skjutdörr och riktade vinkelrätt mot flygplanets axel. Högflygande SOFIA är idealisk för en sådan studie, eftersom den kan komma långt över huvuddelen av jordens atmosfäriska vattenånga, vilket hindrar infraröd astronomi.
Teamet använde den högupplösta Echelon-Cross-Echelle Spektrografen ("EXES") monterad på SOFIA-teleskopet. Mon2 IRS3 hade observerats tidigare för en studie om kolmonoxid (CO) med NIRSPEC-instrumentet på det stora, markbaserade Keck II-teleskopet, och dessa observationer hjälpte till att informera SOFIA-utredningen av svaveldioxid (SO)2), en molekyl som tros vara ett förvar för svaveln i protoplanetära system. Sirius, den ljusaste stjärnan på himlen, observerades också att kalibrera uppgifterna. EXES-observationerna tillät observatörer att mäta den spektrala linjebredden på SO2 i den stjärnbildande regionen för första gången, samt få insikt i mängden av denna molekyl som en svavelreservoar. Till exempel smala linjer från varm SO2 gas föreslår sublimering av is via värme från den bildande kärnan, medan breda linjer indikerar chocker som sprutar svavel från små korn. Denna studie fann en lägre gräns för SO2 överflöd, och bestämde att is sublimerade från MonR2 IRS3 heta kärnan kan vara källan till SO2 gas.
Efter svaveln
Observationer av svavelprocessen i en YSO är spännande. För första gången observerade teamet bildandet av SO2 (svaveldioxid) i en varm kärna, vilket visar att detta formningsform är minst lika effektivt som i chocker. Vidare kan denna process vara viktig i lägre massa (dvs. mer besläktat med vårt solsystem när det bildades ~ 4,57 miljarder år sedan) YSO, vilket framtida observationer kan hjälpa till att bekräfta.
Framtida arbete kan också bidra till att fastställa den relativa betydelsen av andra primitiva svavelbehållare. Att titta på svavelväte i YSO: er som anses vara den huvudsakliga svavelbidragaren i det primitiva solsystemet - visar att enkel strålningsuppvärmning och milda chocker är minst lika effektiva vid bildning och distribution av svavel, som man tidigare trodde från sputterande, starka chocker . Detta visar också en stark koppling mellan reservoarer av svavel i vårt eget solsystem i Comet 67 / P Churyumov-Gerasimenko, som utforskades av Europeiska rymdorganisationens Rosetta-uppdrag från 2014 till 2016.
"Dessa observationer gjorda med SOFIA-teleskopet är nyckeln till att låsa upp några av hemligheterna för protoplanetära molekylreservoarer," berättade Dr. Rachel Smith (North Carolina Museum of Natural Sciences / Appalachian State University) Space Magazine. "Genom sådana förbindelser mellan olika datamängder för ett enda objekt kan vi så småningom bygga en omfattande bild av utvecklingen av planeter och molekyler som behövs för livet."
Vad är nästa för nya observationer? För att bekräfta hypotesen för SO2 reservoar, uppföljningsobservationer av svavelhaltiga isar behövs från kommande uppdrag som James Webb rymdteleskopet sjösattes 2021, och kanske använder on igen, av igen WFIRST uppdrag (Wide Field Infrared Space Telescope) som nollades ut i NASA FY 2020-budgetförslaget.
Med lanseringen av nya teleskop och förbättringar av befintliga, kommer de att komma in i "guldåldern för infraröd astronomi" i den kommande dekaden, så att astronomer kan spåra element tillbaka till sina primordialorigins.
